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关键词： 椭圆涡旋光束   椭圆波带片   菲涅尔衍射   干涉检测法  

摘要： 涡旋光束是一类拥有奇特性质的光束,其复振幅的表达式都携带有exp(ilθ)的涡旋项,最显著的特征是具有螺旋向前的波前,且截面光强呈环形。通常涡旋光携带的轨道角动量与其拓扑荷数的大小有关,而不同的轨道角动量表征的模态之间又相互正交,这样的特性决定了它在许多领域的应用价值。近年来研究如何产生高质量的涡旋光束也是国际上的热点,本文对涡旋光的产生方法进行了研究,并基于相位补偿的原理设计了椭圆螺旋波带片产生了不同种类的椭圆涡旋光。论文的主要内容如下:(1)首先介绍了涡旋光束的概念、特性以及国内外的研究现状,随后分析了拉盖尔-高斯光束和贝塞尔-高斯光束的特性。然后阐述了三种产生涡旋光束的常用方法,并分析了这些方法的优劣。(2)介绍了光场计算的常用理论,作为本文光场研究的理论基础,然后给出了涡旋光轨道角动量的计算和检测方法。并根据传统菲涅尔波带片的设计原理,找到了光束经过各环带后相位之间的关系,作为本文椭圆菲涅尔波带片的设计基础。(3)详细研究了相位补偿椭圆波带片的设计方法,并生成了A、B、C三种椭圆涡旋光束。此外,基于菲涅耳衍射理论分析了光场的分布,同时进行了仿真和实验,结果表明:这三种类型的光束都具有良好的可控性,但又存在一些特性上的差异。A型和C型椭圆涡旋光具有良好的椭圆形状,其拓扑荷数可以用干涉测量法检测,B型椭圆涡旋光的拓扑荷数可以通过直接观察光斑中间的分裂零点得到。而C型椭圆涡旋光具有长焦深的性质,在偏离焦距后仍能接收到较高质量的光束。这三类椭圆涡旋光束在光通信和微粒操纵领域都有着潜在的应用价值。

关键词： 光纤传感   光纤布拉格光栅(FBG)   加速度   灵敏度   温度响应  

摘要： 光纤光栅是基于光纤材料的光敏性,在光纤纤芯内形成的空间相位光栅。作为一种波长调制型无源器件,光纤光栅具有抗电磁干扰、耐高温高压、耐腐蚀、可实现多参量测量和易组网复用等优点,因而在光传感领域引起广泛的研究和关注。在油气资源勘探开发、结构健康监测、航空航天和交通运输等领域,常需要开展对振动的检测,然而传统测量振动加速度的传感器存在抗电磁干扰能力差、稳定性差和难以实现分布式测量等不足。将光纤光栅传感技术应用于以上领域实现对振动加速度的测量,具有重要的研究意义和实用价值。本文通过对光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)加速度传感器研究现状的分析,基于光纤光栅传感原理,以研制结构紧凑、工作频带宽和灵敏度高的FBG加速度传感器为目标,开展了中高频FBG加速度传感器的研究。论文主要内容如下:(1)综述了FBG加速度传感器的研究发展现状,研究分析了光纤光栅耦合模理论以及FBG应变、温度传感原理。建立了加速度传感器的力学模型,并对其幅频特性和相频特性进行分析,在此基础上研究了FBG加速度传感器的工作原理。分析了FBG加速度传感器的主要性能参数,以及在传感器封装中需注意的问题,为后续FBG加速度传感器的设计与研究提供指导。(2)研究了一种单铰链式FBG加速度传感器。理论分析了该传感器的工作原理,以及传感器的主要结构参数对谐振频率和灵敏度的影响,利用有限元软件对传感器进行了仿真分析,实验研究了传感器的静态弯曲性能、动态传感性能及温度特性。结果表明,传感器对静态弯曲具有良好的线性响应;传感器对加速度响应良好,其幅频响应平坦区较宽为50～950 Hz,灵敏度约为10 pm/g;在30～100C的温度范围内,传感器对温度具有较好的线性响应,温度灵敏度较小;该传感器小巧紧凑,不足之处是抗横向干扰能力较差。(3)提出并设计研究了一种对称双铰链式FBG加速度传感器,以改善单铰链式FBG加速度传感器的性能。理论分析了该传感器的工作原理,阐述了传感器的封装制作方法,实验研究了传感器的加速度传感性能。结果表明,在50～600 Hz范围传感器幅频响应较平坦,FBG波长漂移对加速度具有较好的线性关系;由于对称式增敏结构的设计,相比于单铰链式FBG加速度传感器,该传感器的灵敏度提高至约41 pm/g,重复性良好;传感器交叉灵敏度小于主振方向灵敏度的5.5%,其抗横向干扰性能得到了有效的提升。(4)基于对称双铰链结构和双FBG差动的思想,提出并设计研究了一种双光栅温度补偿型加速度传感器,以解决铰链式FBG加速度传感器中存在的应变-温度交叉敏感问题。理论分析了该传感器的工作原理,利用有限元仿真软件研究分析了传感器的振动模态,实验研究了传感器的加速度传感性能。研究表明,该传感器在50～800 Hz频率范围具有较好的平坦区,对加速度响应较好,灵敏度较高约为48 pm/g,重复性良好;传感器在27～88C的温度范围内可实现温度补偿,验证了该设计的有效性。(5)提出并设计研究了一种Y型梁式FBG加速度传感器。理论分析了该传感器的工作原理,以及结构参数对传感器谐振频率和灵敏度的影响,实验研究了传感器加速度传感性能。结果表明,在50～400 Hz频率范围,传感器具有较好的幅频响应平坦区,且对加速度具有良好的线性响应,平均灵敏度约为57.4 pm/g;传感器在25～85C的温度范围内对温度响应稳定,温度灵敏度较低约为10.4 pm/C。该传感器结构紧凑,灵敏度较高,并且具有在主体结构不变情况下,通过更换质量块实现灵敏度可调的特点。经过逐步完善和改进研究,所设计和研究的光纤光栅传感器性能得到了提升,为实际应用奠定了基础。

关键词： 全反射棱镜   预紧力   薄片振动   固有频率   薄片端面  

摘要： 随着时代的发展与社会的变革,道路交通、服装服饰、电子制造等领域对特殊功能微结构的需求越来越大,微结构功能表面高效率、低成本、高质量的制造引起了人们的高度重视。全反射棱镜具有超高的逆反射效率,是一种极具潜力的微结构功能表面,但其拓扑结构复杂,制造难度极大,传统模具整体加工方法已无法满足加工要求。因此,采用在多块薄片端面加工棱镜结构,然后拼接组合成一个完整全反射棱镜阵列模具的加工方式。全反射棱镜结构阵列表面质量要求高,大多采用超精密切削加工,同时全反射棱镜拓扑结构复杂、组成薄片壁薄刚度差等特点,其切削加工工艺性差,在切削力作用下极易发生振动,严重影响加工表面质量。因此,全反射棱镜薄片端面切削加工一直是国际上公认的制造难题。为了抑制薄片加工振动,提高薄片端面切削加工表面质量,本文基于弦振动理论建立薄片端面切削振动的动力学模型,探究预紧力与薄片振动固有频率之间的对应关系。分析薄片端面切削机理,同时改进传统薄片端面加工方式,设计出一种薄片模具切削预紧装置,对薄片端面进行不同预紧力下的薄片端面切削实验。主要内容如下:(1)薄片动力学特性分析。基于弦横向振动理论、杆扭转振动理论,推导薄片横向、扭转振动微分方程;并根据振动微分方程建立在预紧条件下切削过程薄片的横向和扭转振动模型。由振动模型可知:切削力和预紧力是确定薄片端面切削振动幅值与频率的基本参数,随着薄片两端预紧力的增大,薄片的固有频率有着显著增加,薄片切削过程振动幅值明显减小。(2)进行薄片振动特性(固有频率、振型)有限元仿真及测试。首先,对预紧薄片振动特性进行模态仿真,通过改变影响薄片固有频率的因素(薄片横截面长宽比、薄片预紧力),探究薄片横截面长宽比对薄片固有频率的影响,并建立薄片预紧力与薄片固有频率之间的关系;其次,利用薄片模具切削预紧装置对薄片进行不同薄片预紧力情况下的模态锤击实验,探究薄片预紧力与固有频率之间的关系;最后,通过有限元仿真及测试结果对薄片端面振动模型进行验证。研究表明:薄片振型主要为横向振动和扭转振动,随着预紧力的增大,薄片固有频率持续增加;仿真、实验和理论计算结果中预紧力与固有频率的变化规律一致,证明薄片振动动力学模型的有效性。(3)基于薄片振动动力学模型分析薄片连续和间断切削过程,分析预紧薄片端面的切削特性(包括工件切削过程的薄片偏转特性和刀具变切削角特性),建立薄片端面切削轮廓的几何模型。研究表明:预紧薄片端面切削过程的加工变形主要受薄片扭转变形影响,增加薄片的扭转刚度,能有效改善表面加工质量。(4)全反射棱镜薄片端面切削实验。针对薄片端面在切削过程无法预紧的问题,设计出薄片模具切削预紧装置。完成一系列切削参数加工薄片端面结构的正交实验,并在正交实验中获得较佳切削参数下,通过变预紧力切削实验表明:当前实验条件下预紧力为850N时加工表面质量最好。

关键词： 光纤光栅传感器   金属化处理   激光焊接   悬臂梁  

摘要： 光纤光栅因其具有小而轻,传感灵敏度高,可复用性强和抗电磁干扰能力等特点,被广泛的应用于航空航天、电力工业、石油化工、核工业、医学、土木工程和地质结构监测等各个领域。目前,光纤光栅的结构和种类虽已多种多样,但对于光纤光栅的固定方式,大多采用聚合物封装和粘合剂固化的方式,长期使用可导致胶粘层脱层剥离,从而造成老化、不耐受、易疲劳等问题。在一些高温高压等特殊环境,为实现表面无损且安全度更高的固定安装,需要找到一种合适方法替代传统胶粘方式。 本文主要研究了基于激光焊接的光纤光栅温度及应变增敏效果,分为两个主要部分,一是对温度进行增敏,采用磁控溅射的方法对光纤光栅进行金属化处理,对比不同金属涂层的温度传感性能,得出镍、铜、银涂层材料下的FBG温度传感灵敏度有明显提高、线性度均在0.995以上。改变镀膜材料的先后顺序,得到Ni–Ag涂层效果最好,相较于裸光纤效果提升至134.7%,且Ni–Ag涂层光纤光栅传感器在温度变化时表现出令人满意的重复性,镀层表面无明显的剥离、起皮、斑点、气泡、毛刺等缺陷,具有较好的综合性能。二是对应变进行增敏,基于激光焊接的固定工艺,提出了一种毛细管嵌套模型,目的是为了防止在焊接过程中产生的热应力破坏FBG的内部结构。以悬臂梁作为模型,测量焊接后的应力灵敏度和响应时间,通过加载卸载重物的方法对比响应时间,加载时,激光焊接的响应时间为12s,传统有机胶粘方式下的响应时间为19s,卸载时间分别为15s和24s。意味着激光焊接固定方式能够应用于应力的快速检测,得到的结果线性度好响应稳定,相比传统固定方式是一种更好的固定手段。最后进行有限元仿真,对悬臂梁应变以及挠度进行分析,为实验结果提供理论参考。

关键词： 非小细胞肺癌   放化疗   弥散张量成像   白质微结构   结构网络  

摘要： 肺癌是发病率和死亡率都极高的癌症,而非小细胞肺癌（Non-small Cell Lung Cancer,NSCLC）是其中最主要的亚型。大多数NSCLC患者在评估肿瘤分期和身体状况后采用放化疗治疗方案。但是,部分患者在放化疗后存在认知损伤、情绪障碍等不良症状,而这种症状的产生机制仍不清楚。考虑到大脑与人类的认知、情绪功能密切相关,本文将基于弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）研究放化疗对NSCLC患者的白质微结构及其连接网络的潜在影响,并结合神经心理测评和临床生理数据探讨放化疗相关的白质结构连接异常的机制。本文主要工作包括:（1）采集12例放化疗后和17例治疗前NSCLC患者的DTI数据。借助纤维束的空间统计（Tract-Based Spatial Statistics,TBSS）方法探究患者大脑白质微结构的改变,并进一步研究其改变与认知状况及临床表现的内在关联。结果表明:与治疗前相比,治疗后的NSCLC患者的白质微结构存在显著改变（p＜0.05,错误发现率（False Discovery Rate,FDR）校正）,即治疗后左前放射冠、左外囊的部分各向异性指数（Fractional Anisotropy,FA）,胼胝体压部、胼胝体的轴向扩散系数（Axial Diffusivity,AD）,左外囊、左前放射冠、胼胝体压部的相对各向异性指数（Relative Anisotropy,RA）均显著增高;左前放射冠的径向扩散系数（Radial Diffusivity,RD）显著降低;上放射冠和前放射冠右偏侧化显著增强。并且,上述影像指标与认知、生理指标呈现显著相关（p＜0.05,未校验）。本文推测这些局部的变化可能是大脑应对放化疗所产生的认知损伤形成的补偿作用。（2）进一步基于结构连接网络,从全局属性和节点属性考察了放化疗前后的变化情况。结果发现:1)患者治疗前后均具有富人俱乐部特性和小世界属性,治疗后只有全局同步性增高（p＜0.05,未校验）;2)治疗后,患者的节点介数中心性和度中心性降低,而节点聚类系数增强（p＜0.05,未校验）;3)治疗后,节点最短路径长度右偏侧性增强,其余节点属性均为左偏侧性增强（p＜0.05,未校验）。本文推测节点介数中心性和度中心性的降低可能是由于放化疗对网络的损伤,而节点聚类系数的增高可能反映出大脑对放化疗的代偿作用。综上所述,本文有望进一步加深对非小细胞肺癌放化疗相关的大脑结构连接异常机制的理解,为改善NSCLC患者治疗与预后提供重要的参考信息。

关键词： 光纤分布式声传感   弱反射光纤布拉格光栅   双啁啾脉冲   离散傅里叶变换相位解调方法   异频双脉冲   频分复用   增敏筒  

摘要： 光纤分布式声传感技术是光纤传感技术发展前沿之一,它可以获取光纤链路沿线的声/振动波形信息,且具有耐恶劣环境、抗电磁干扰、抗腐蚀等优点,在地震波监测、油气资源勘探和轨道交通安全监测等重大基础设施中具有广泛的应用前景。光纤分布式声传感系统主要基于相位敏感光时域反射技术构建,实现长距离下相位的高带宽、高灵敏度线性解调对于光纤声致应变信息的高精度提取非常关键。针对这一问题,本文结合弱反射光纤布拉格光栅(weak fiber Bragg grating,WFBG)和双脉冲干涉方法开展光纤分布式声传感研究,并分别从传感距离、传感带宽以及传感增敏三方面进行了探索。主要研究工作如下:(1)阐明了使用WFBG和双脉冲产生固定频率的干涉脉冲感知光纤上应变的原理,通过使用WFBG提供的反射光脉冲代替光纤中的后向瑞利散射光信号以提高所接收信号的强度和信噪比,提出了基于离散傅里叶变换(discrete Fourier transform,DFT)提取单一频率脉冲信号相位的数学模型,针对低信噪比信号的相位解调进行了数字仿真,实现了低信噪比信号的高精度相位解调。(2)在长距离的光纤分布式声传感方面,建立了单啁啾脉冲信号通过延时光纤产生相同双啁啾脉冲的模型,通过双啁啾脉冲和WFBG阵列的相互作用产生具有固定载波频率的干涉脉冲感知光纤的应变,并使用基于DFT的相位提取方法提取干涉脉冲的相位变化以对应光纤上的应变。提出的系统可以实现101.64km光纤末端的声传感,空间分辨率为10 m,在光纤末端返回信号的信噪比低至3.234 d B时,解调恢复的正弦信号拟合度仍可达到0.9681。(3)在光纤分布式声传感的传感带宽增强方面,基于异频双脉冲的频分复用,提出了基于WFBG和异频双脉冲的光纤分布式声传感频分复用方法。将不同频率范围的脉冲对进行频率分离设计,通过复用4对不同频率范围的异频双脉冲,将传感带宽提高了4倍,并通过对啁啾信号的解调结果的相位拼接,验证了提出的方法对各个频率信号解调的准确性。实验结果表明,提出的方法可以在70km光纤上实现2 k Hz带宽的频率测量。(4)在声增敏传感方面,提出了基于圆柱环型支柱和涤纶树脂薄膜增敏筒的光纤传感声增敏方法,解决了实际声音信号引起光纤应变较小、无法实现实际声音测量的问题。使用DFT相位提取方法测量了光纤传感增敏筒的灵敏度为10.2 rad/pa,最小测量声压为0.0025 pa。使用光纤传感增敏筒感知蓝牙音响播放录制的实际人声信号,恢复的人声信号与录制信号相关系数达到0.6956,验证了提出的方法的声增敏能力和对实际声音信号准确测量的能力。

关键词： DMD   中阶梯光栅   光谱仪   波长标定   波长提取   软件开发  

摘要： 中阶梯光栅光谱仪是一种采用交叉色散技术以获得高级次光谱并实现全波段闪耀的光谱仪。因其具有覆盖波段范围宽、光谱分辨率高、无可移动部件等特点被广泛应用于医疗、工农业以及食品安全等领域。目前中阶梯光栅光谱仪的检测器主要采用电荷耦合器件,这类检测器在紫外波段的量子效率较低,可通过将检测器改进为背照式或者镀荧光膜将短波转化为长波检测,进而改善紫外波段的灵敏度,但会提高仪器成本。此外,可以通过延长积分时间提高信噪比,但检测时间会增加。基于数字微镜器件(Digital Micromirror Device,DMD)的中阶梯光栅光谱仪由于引入了DMD作为空间光调制器,可以实现检测范围内任意波长的快速选择,并通过搭配高灵敏度的光电倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)作为检测器,能够对光谱信号进行快速、高灵敏度检测。光谱信号处理方法及软件是光谱仪的重要组成部分,为了配合基于DMD的中阶梯光栅光谱仪正常工作,本文研究了专用的光谱信号处理方法,并开发了专用软件,最终进行了测试实验。本文主要研究工作如下:(1)基于DMD的中阶梯光栅光谱仪光谱信号处理方法研究光谱信号预处理方法,包括空间域滤波及背景扣除方法。针对DMD测量谱图时快速且可选取任意位置测量的特点,运用统计的思想,可迅速、准确地计算出测量谱图的背景并扣除。针对仪器周围环境变化以及棱镜折射率偏差导致的波长偏移问题,为了保证准确绘制一维谱图,提出了一种波长标定方法,根据实测特征波长信号的质心位置重新拟合折射率并校正谱图还原模型。提出了一种波长提取方法,该方法能够在提升谱图信息处理速度的同时,避免因相邻级次之间距离过近而引起的假峰现象,提高了波长提取精度。(2)基于DMD的中阶梯光栅光谱仪专用软件开发根据仪器的特点分析了软件需求,并制定了软件与下位机之间的通信协议,在此基础上采用MATLAB与C#联合编程的方式开发专用软件。软件包括UI交互界面以及控制部件等,具有联机、对DMD及PMT的控制、数据采集、谱图数据处理、谱图显示以及数据存储的功能。(3)测试实验运用砷(As)、铋(Bi)、镉(Cd)、铅(Pb)、锡(Sn)元素的无极放电灯进行波长标定,并运用汞(Hg)元素无极放电灯进行波长提取及软件的功能验证。将基于DMD的中阶梯光栅光谱仪用于ICP-AES系统测量铜(Cu)元素的标准样品进行现场测试。本文所提出的方法与软件已成功应用于课题组研制的基于DMD的中阶梯光栅光谱仪,实验表明波长提取精度小于0.012nm。

关键词： 2 μm波段   随机激光器   掺铥光纤   光纤激光器   光纤光栅  

摘要： 光纤随机激光器是一种基于光纤中光信号增益和随机分布反馈效应的新型光纤激光器,具有结构简单、无需谐振腔、输出激光时间/空间相干性弱等优点,有望在光传感与通信、无散斑成像、生物医学检测、激光加工、非线性光学研究等领域获得重要应用。近年来,工作在人眼安全的2μm波段的光纤激光器受到了广泛关注。该波段包含了1940 nm附近的水吸收峰,对组织的穿透深度浅,从而使得2μm波段光纤激光器成为包括非侵入手术等医疗过程的有力工具。该波段还包含几个大气透明窗口,在自由空间通信、遥感、激光雷达等领域也有重要的应用前景。针对激光在中红外波段的广泛技术需求,光纤随机激光器研发的波长范围也在从常规的1.0-1.6μm波段向2μm及以上波段延伸。但是与常规波段相比,光纤随机激光器在2μm波段必须面对两个不利因素:一是普通光纤在2.0μm的损耗高达30 d B/km,而且随波长增加而急剧升高;二是光纤瑞利散射的强度与波长的四次方成反比,所以光纤在2.0μm的散射只有1.0μm处的十六分之一和1.5μm处的五分之一。因此,采用石英光纤和瑞利散射的常规技术和方法难以获得高性能的2μm波段光纤随机激光器。针对以上问题,本文研究四种掺铥光纤随机激光器结构,提出基于光栅反馈技术的掺铥光纤随机激光器,并通过实验进行验证,获得了更低的泵浦阈值。本文的主要研究内容如下:（1）研究了基于瑞利散射的半开放腔掺铥光纤随机激光器。采用掺铥光纤作为增益介质,利用长约200 m单模光纤中的随机瑞利散射和高反射率光纤光栅构成半开腔,在793 nm的激光器泵浦下,在2μm波段实现了随机激光输出。输出随机激光中心波长为1944.7 nm,边模抑制比为50 d B,激光器阈值为2.87 W,斜率效率为6.5%,并对其稳定性以及时域输出进行了测试和分析。（2）研究了基于光纤随机光栅反馈的掺铥光纤随机激光器,激光器采用半开腔设计,封闭端采用中心波长为1940 nm的高反射率光纤光栅为激光器系统提供强反馈,增益介质采用掺铥光纤,泵浦源采用793 nm半导体激光器,开放端采用由飞秒激光逐点刻写技术制备的10 cm长的光纤随机光栅提供随机分布反馈,激光器阈值功率降为2.33W。输出随机激光中心波长为1940 nm,边模抑制比达56 d B,并对其稳定性以及时域输出进行了测试和分析。（3）在（2）的基础上研究了基于光纤随机光栅反馈的的半开放腔掺铥光纤随机激光器。将高反射率光纤光栅替换成光纤环镜,实现了中心波长为1951 nm的随机激光输出,将泵浦阈值进一步降低至2.1 W,并对其输出稳定性进行了测试和分析。（4）研究了基于随机间隔光纤光栅阵列反馈的掺铥光纤随机激光器,一侧为随机间隔光纤光栅阵列,另一侧为高反射率光纤光栅。随机间隔光纤光栅阵列是在一段单模光纤上刻写12个中心波长为1944.8 nm的光纤光栅,两两光栅间距随机,光纤光栅阵列总反射率为8.8%。利用掺铥光纤作为增益介质,793 nm半导体激光器作为泵浦光源,在2μm波段获得了阈值低至0.69 W,斜率效率高达20%的掺铥光纤随机激光器。随机激光中心波长为1944.9 nm,边模抑制比为55 d B。在泵浦功率为4 W下,随机激光的输出功率为0.667 W,并对其稳定性以及时域输出进行了测试和分析。

关键词： 光栅耦合器   铌酸锂薄膜   耦合效率   反应离子刻蚀法  

摘要： 随着高速光通信、微波光子技术的迅速发展，要求光调制器具备大带宽、小体积、低光学损耗、低能耗、高集成度的特点。由于绝缘铌酸锂薄膜(Lithium niobate on insulator，LNOI)材料拥有优异的光学特性，因此广泛应用于电光调制器等高速电光元件中。当前LNOI电光器件的实用化发展也受到一些因素的制约，特别是铌酸锂薄膜波导与标准光纤之间产生的较大的耦合损耗问题。因此实现光纤与铌酸锂光波导之间的高效耦合，是LNOI电光元件实用化的关键技术之一。光栅耦合作为较为成熟的光束耦合方式，是一种改善铌酸锂薄膜波导模式与光纤模式失配的重要解决方案。本文基于LNOI平台，设计、仿真了高耦合效率的光栅耦合器，并采用RIE（反应离子刻蚀法）对光栅耦合器进行加工制作，最后对制作的光栅耦合器进行耦合性能的测试和分析。本文主要研究内容如下:　　1、理论推导了基于铌酸锂薄膜(LNOI)结构光栅耦合器的工作原理。根据衍射光栅理论和光栅耦合导波条件，提出了光栅耦合器的数值计算方法，并归纳了影响光栅耦合器耦合效率的重要因素。　　2、利用FDTD Solutions软件分别设计了四种铌酸锂薄膜波导光栅耦合器模型。对这四种光栅耦合器件，利用软件扫描功能分别分析了光栅周期，光栅占空比等结构参数对光栅耦合效率的影响。最后优化得到了四种器件在1550nm波长处的最佳光耦合效率。　　3、采用磁控溅射、电子束曝光和光刻、ICP-RIE（反应离子刻蚀法）等工艺加工制作了铌酸锂薄膜波导光栅耦合器。并对制作的光栅耦合器件的光耦合性能进行测试。在波长为1550 nm处，针对TM模式，测得均匀光栅耦合器单端耦合效率为-19.5dB (1.12％)，非均匀光栅耦合器单端耦合效率为-10.5dB (8.90％)。测试结果表明制作的光栅耦合器件可以达到预期的耦合性能。

关键词： 光纤光栅阵列   地铁轨道减振   深度森林   振动信号提取   预测模型  

摘要： 近年来,城市轨道交通的迅速发展为人们的出行提供了极大的便利,然而外部非法入侵、列车轨道结构变化、地质变化等引发地铁隧道结构变化进而危害地铁安全运营的情况时有发生,地铁隧道振动状态评估已成为轨道交通维护过程中重要的工程问题。传统的获取地铁振动状态依靠于人工检测和主观评价,操作流程繁琐且无法实时动态检测和评估,对地铁隧道结构变化无法提前预警。因此,迫切需要研究出能对地铁轨道减振效果进行高效在线监测手段和评估方法。光纤光栅阵列传感技术凭借其高精度、高灵敏度、耐腐蚀和易于构建大容量传感网络等特点,被广泛地应用于分布式振动监测,由于具有连续和全时全域的监测能力,尤其适用于长距离地铁隧道的监测。在实际应用中,光栅阵列可以实时监测地铁沿线环境的振动响应,采集到的列车振动响应的变化与沿线轨道结构状态密切相关,可以为评价该区域的振动状态是否发生变化提供量化依据。本文基于光栅阵列传感技术与地铁监测系统,提出一种地铁减振效果预测模型,通过提取振动信号获取减振效果值并构建预测模型,实现对轨道减振效果的预测和评估,为判断地铁安全状态提供决策依据和量化参考。论文主要研究工作如下:(1)地铁振动信号预处理方法研究。针对地铁监测路线长,监测区域多,振动信号数据量庞大,以及大量非列车振动信号会影响减振效果准确评价的现状,研究不同类型道床的振动信号提取方法,为保证快速准确截取有效列车振动信号,提出一种结合短时功率谱密度和短时能量的端点检测方法分别用于减振道床和普通道床的振动信号提取;分别采用短时能量和短时功率谱在特定频段的均方根来描述振动信号中有效信号和扰动信号的强度,有效提高端点检测的准确性和信号截取的效率。(2)基于光栅阵列的地铁轨道减振预测模型构建研究。分别对深度森林和随机森林等算法理论进行研究;针对光栅阵列振动信号与轨道振动状态密切相关的关系,提出获取减振效果值的方法并研究地铁监测中减振值序列的生成模型;针对深度森林用于预测减振值序列精度不足和对波动预测不理想的问题,提出通过XGBoost来改进深度森林从而提高模型预测精度;结合模型制定预测评估方法和流程,实现对地铁轨道减振效果值的预测和评估。(3)地铁隧道振动监测系统和减振效果预测方法的可行性分析和结果验证。在武汉地铁某号线野芷湖站至军运村站的地铁隧道进行验证实验,利用系统实际采集的振动信号分别验证系统用于地铁振动监测的可行性和预测模型的效果;结果表明,系统可以对地铁振动状态进行连续可靠的分布式监测,利用列车振动信号可以准确获取减振效果且能正确反映列车轨道振动状态,且构建的预测模型具有较高的预测精度,可以为地铁减振评估提供可靠的参考依据。